CENTRO UNIVERSITÁRIO CATÓLICA DE SANTA CATARINA Pró-Reitoria Acadêmica Setor de Pesquisa

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1 FORMULÁRIO PARA INSCRIÇÃO DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA. Coordenação/Colegiado ao(s) qual(is) será vinculado: ENGENHARIA MECÃNICA Curso (s) : ENGENHARIA MECÂNICA Nome do projeto: NITRETAÇÃO POR PLASMA APLICADO AOS AÇOS-FERRAMENTAS Nome do(s) acadêmico(s) envolvido(s): Nome do professor orientador: MOISÉS LUI Z PARUCKER Nome do professor co-orientador: VIVIANE LILIAN SOETHE Nome do coordenador(a) do Curso: MOISÉS LUIZ PARUCKER Para a Fundação Educacional Regional Jaraguaense FERJ, mantenedora do Centro Universitário - Católica de Santa Catarina em Jaraguá do Sul e em Joinville, encaminhamos anexo, Projeto de Iniciação Científica a ser submetido ao Edital nº ----/ PROINPES, e declaramos nosso interesse e prioridade conferida ao desenvolvimento do projeto ora proposto, assim como nosso comprometimento de que serão oferecidas as garantias necessárias para sua adequada execução, incluindo o envolvimento de equipe, utilização criteriosa dos recursos previstos e outras condições específicas definidas no formulário anexo., de de 2013 Acadêmico(a) Acadêmico(a) Professor orientador Professor coorientador Coordenador do Curso 1

2 2 DESCRIÇÃO DO PROJETO Orientações para organização do texto( projeto): Fonte: Times New Roman ou Arial, 12. Espaçamento entre linhas simples, o texto deverá estar justificado. Todos os autores deverão estar corretamente citados no texto e descritos nas referências. Título do Projeto: Nitretação por plasma aplicado a aços-ferramentas Tipo de Projeto (12 meses ) ( ) Elaborado pelo acadêmico em conjunto com o professor orientador; (X) Apresentado pela instituição; Resumo do Projeto Nas últimas décadas tem-se observado um grande avanço em processos para modificações das superfícies dos metais, destacando-se a técnica de nitretação por plasma. Em aços para trabalho a quente como, por exemplo, o AISI H13, a nitretação por plasma é uma solução para o aumento da vida útil de ferramentais produzidos com este tipo de material, ampliando a dureza superficial, a resistência ao desgaste, à fadiga e às trincas térmicas. Outros aços ferramentas também tem sido estudado, como o aço AISI P20, AISI M2 e AISI D2. A nitretação por plasma, além de melhorar as propriedades mecânicas de diferentes materiais com um custo inferior em relação aos processos convencionais, apresenta-se como uma alternativa interessante do ponto de vista ambiental, indo de encontro com à nova política internacional de meio ambiente ditada pela ISO Este trabalho é continuidade de um projeto de iniciação cientifica intitulado Avaliação microestrutural de aços submetidos à nitretação por plasma e visa dar continuidade a uma linha de pesquisa da área de Processos de Fabricação e Materiais do curso de Engenharia Mecânica. No presente projeto, será realizada uma revisão bibliográfica das publicações mais recentes envolvendo processos de nitretação por plasma sobre aços-ferramentas, além de atividades experimentais envolvendo nitretação por plasma e a influência dos parâmetros de processamento do tratamento nas propriedades mecânicas e microestruturais dos materiais tratados. Texto limitado em até 200 palavras Problematizacão (Problema de pesquisa) O desenvolvimento de novos materiais, incluindo os aços se deve principalmente a necessidade de utilização de materiais cada vez mais funcionais e com melhores propriedades mecânicas. Verifica-se uma grande utilização de aços em diversas operações na indústria metal mecânica, tais como: corte, conformação, injeção, extrusão, entre outros. Diante da ampla utilização deste tipo de material e o alto custo envolvido na produção de novas ferramentas, o uso de processos de tratamento de superfícies metálicas, como a nitretação por plasma, se faz necessário, pois possibilita ampliar a vida útil dos ferramentais, minimizando, por exemplo, efeitos de desgaste. A nitretação por plasma é um tratamento termoquímico que confere características especiais aos aços tratados, pois eleva a dureza da superfície, a resistência à fadiga, a resistência ao desgaste e a corrosão. Este processo é realizado em temperaturas menores que os processos convencionais e não promove a geração de resíduos industriais. O tempo reduzido do tratamento de nitretação por plasma minimiza os custos, pois utiliza menos gases e possibilita grande reprodutibilidade do processo. Na nitretação a plasma, é possível programar os parâmetros do processo a fim de controlar a microestrutura da superfície do material, de modo a formar ou não a camada branca, importante para a determinação de certas propriedades mecânicas do material, como por exemplo, a dureza. A 2

3 camada branca se forma quando a nitretação é realizada com uma mistura gasosa rica em nitrogênio a uma temperatura elevada. Neste sentido, questiona-se: quais os parâmetros de tratamentos são necessários no processo de nitretação por plasma para melhorar as propriedades microestruturais e de dureza de aços utilizados para fabricação de moldes? Texto limitado a 20 linhas Justificativa (descrever o problema de pesquisa e sua importância científica, tecnológica e sócio-econômico-ambiental para a região ) A grande utilização de aços ferramentas nas indústrias, levou o meio industrial a buscar alternativas de otimização do uso de ferramentas e diminuição de seu desgaste. Sendo assim, muitas tecnologias surgiram para melhorar as propriedades superficiais dos aços; uma destas técnicas inovadoras é a nitretação por plasma. Os processos convencionais de nitretação (a gás e liquida) vêm sendo utilizados a várias décadas nas indústrias, entretanto, estes tratamentos possuem inúmeras desvantagens que o processo de nitretação por plasma não possui. Na nitretação a gás e líquida são utilizados gases e sais que agridem o ser humano e o meio ambiente, além de causarem distorções dimensionais e empenamentos nas peças em função da elevada temperatura do processo. A nitretação por plasma, portanto, substitui os processos convencionais de nitretação por apresentar inúmeras vantagens que a nitretação líquida e à gás não possuem, tais como: estabilidade dimensional, reprodutibilidade do processo, uniformidade e controle do tipo e espessura da camada nitretada, melhor acabamento da peça, redução da rugosidade do aço, considerável aumento da dureza superficial, melhores propriedades metalúrgicas, possibilita à superfície da peça baixo coeficiente de atrito, menor custo de operação, não agride o ser humano e está adequada a nova política internacional de meio ambiente, ditada pela ISO (ALVES JUNIOR, 2001). Considerando o potencial metalmecânico da região e a existência de diversas empresas do ramo que possam se beneficiar com a melhoria superficial e aumento da vida útil de ferramentas e equipamentos, acredita-se que a pesquisa proposta é de fundamental importância no campo da Engenharia Mecânica. Alguns estudos já foram realizados em relação aos parâmetros de processamento de aços AISI H13 e AISI P20 e se mostraram promissores em relação a nova tecnologia. Além disso, processos de tratamento térmico que minimizem os prejuízos ao meio ambiente, visando certificações de qualidade, tornam-se cada dia mais importantes no setor produtivo, sendo muito valorizado pela sociedade em geral. Desta forma, a presente proposta visa dar continuidade a um estudo sobre a técnica de nitretação por plasma aplicado a aços-ferramentas. Objetivo Geral: ( Onde estamos...onde queremos chegar.) Texto limitado a 20 linhas Realizar avaliação dos parâmetros de tratamento de nitretação por plasma aplicado a açosferramentas. Texto limitado a 05 linhas Objetivos específicos ( Etapas que devem ser cumpridas para se atingir o objetivo geral.) - Compreender as diferenças entre as técnicas de nitretação convencional e por plasma, assim como os principais parâmetros de tratamento. - Realizar tratamentos de nitretação por plasma de aços do tipo AISI P20, D2 e M2. - Realizar caracterização microestrutural e de dureza dos materiais tratados. - Analisar os resultados alcançados definindo os melhores condições de tratamento. 3

4 Texto limitado a 15 linhas Metodologia (Descrição dos procedimentos, instrumentos( questionários, formulários, entrevistas, softwares), técnicas e materiais(equipamentos) a serem utilizados na execução do projeto). O trabalho será concentrado em: - Levantamento bibliográfico especializado (artigos e patentes) sobre os temas: nitretação convencional, nitretação por plasma, aços-ferramentas. A biblioteca Universitária da Católica de Santa Catariana e da UFSC possui sistema informatizado para busca de referência através do site da BU, além de serviços de comutação bibliográfica e empréstimos de teses, dissertações e publicações especializadas. A biblioteca da UFSC também disponibiliza busca de material especializado por meio do site de periódicos da CAPES. Esta etapa tem como pretensão a busca de literatura especializada para fundamentar as atividades e metodologia que será utilizada no desenvolvimento da pesquisa experimental. - Realizar nitretação por plasma. As condições de nitretação por plasma serão definidas em conjunto com o grupo de pesquisa ao qual o projeto está vinculado. Os experimentos serão realizados no laboratório de plasma da Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC. - Realizar a caracterização microestrutural e dureza dos materiais nitretados. A caracterização será realizada no laboratório de materiais do Centro Tecnológico da Aeronáutica-ITA e UFSC. Nesta caracterização será realizado Raio-X, Microscopia Ótica, Microscopia Eletrônica de Varredura e Análise Química. - A avaliação dos resultados será realizada com a finalidade de definir os melhores parâmetros de tratamento via plasma. Os resultados serão apresentados na forma de artigo em revista especializada e possível participação em congresso da área. Fundamentação Teórica Texto limitado em 02 página A grande utilização de aços ferramentas nas indústrias, levou o meio industrial a buscar alternativas de otimização do uso de ferramentas e diminuição de seu desgaste. Sendo assim, muitas tecnologias surgiram para melhorar as propriedades superficiais dos aços; uma destas técnicas inovadoras é a nitretação por plasma. A grande utilização de aços ferramentas nas indústrias, levou o meio industrial a buscar alternativas de otimização do uso de ferramentas e diminuição de seu desgaste. Sendo assim, muitas tecnologias surgiram para melhorar as propriedades superficiais dos aços; uma destas técnicas inovadoras é a nitretação por plasma. Apesar da utilização do ferro e do aço na forma de ferramenta e do conhecimento, mesmo grosseiro, do processo hoje denominado têmpera serem muito antigos, foi somente a partir do século XX que o uso do aço se generalizou e ganhou a importância tecnológica vista atualmente. Isto se deve ao forte investimento em estudos e pesquisas tanto em técnicas de fabricação quanto no desenvolvimento de novos tipos de aços, onde a incorporação de novos elementos de liga possibilitou a sua aplicação em condições de serviço cada vez mais exigentes (CHIAVERINI, 2005). Algumas características fundamentais dos aços para ferramentas são a dureza, resistência ao desgaste, temperabilidade, tenacidade e resistência mecânica. As principais condições que possibilitam o atendimento das exigências de qualidade dos aços considerados se dão essencialmente através da composição química e de tratamentos térmicos. O tratamento térmico tem um fundamental papel na determinação da 4

5 estrutura e das propriedades finais do aço ferramenta. (CHIAVERINI, 2005; RAUTER, 1974). A grande utilização de aços ferramentas nas indústrias, levou o meio industrial a buscar alternativas de otimização do uso de ferramentas e diminuição de seu desgaste. Sendo assim, muitas tecnologias surgiram para melhorar as propriedades superficiais dos aços; uma destas técnicas inovadoras é a nitretação por plasma. Historicamente, o desenvolvimento do processo de endurecimento superficial pela introdução de nitrogênio por difusão no estado sólido é creditado a Adolph Machlet que depositou a primeira patente em 1908, reconhecida em 24 de junho de 1913 (PINEDO, 2004). Em 1921, Adolph Fry depositou efetivamente a primeira patente de um processo de endurecimento superficial denominado de nitretação na qual descreve o processo de nitretação gasosa como um meio de endurecimento superficial em temperaturas próximas a 580ºC, no campo monofásico da ferrita, gerando superfícies nitretadas com as características conhecidas até hoje. Os processos mais utilizados industrialmente são a nitretação em banhos de sais fundidos, denominado de Nitretação Líquida, e a nitretação com atmosfera gasosa de amônia, denominado de Nitretação Gasosa (PINEDO, 2004). A nitretação é uma técnica, dentre vários tipos de tratamentos termoquímicos, que tem como finalidade principal promover a modificação superficial sem afetar as propriedades do núcleo do material, com o objetivo de conferir-lhe propriedades específicas, dentre as quais se destacam: dureza superficial elevada, maior resistência à fadiga, maior resistência ao desgaste e maior resistência à corrosão (BALLES, 2003; IRALA, 2007). Estes processos melhoram as propriedades superficiais dos componentes tratados através da formação de duas camadas de estruturas distintas a partir da superfície tratada: uma zona de compostos de nitretos e/ou carbonitretos e uma zona de difusão resultante da dissolução intersticial de átomos de C e/ou N na matriz, conforme os gases presentes na atmosfera de tratamento. As propriedades mecânicas finais dos aços são dependentes da formação destas camadas, tendo sua importância tecnológica relacionada com o fato de que, com este tipo de tratamento, é possível adicionar propriedades de resistência na superfície e manutenção das propriedades originais do material em sua forma volumétrica. As duas principais camadas formadas em um processo de nitretação são descritas na sequência: 1 - A camada de difusão A camada de difusão na nitretação é a responsável direta pela dureza no aço nitretado em profundidades maiores que as produzidas pela camada de compostos. Para que a camada de difusão possua dureza elevada, é necessário que o aço possua elementos de liga que formem nitretos estáveis nas temperaturas de nitretação. Os elementos mais comuns, presentes em aços e formadores de nitretosestáveis, são o Mn, Al, Cr, Mo, etc. Os nitretos precipitados possuem propriedades mecânicas próprias, que melhoram significativamente as propriedades da camada nitretada na superfície do aço. Devido à melhorias nas técnicas atuais de nitretação que introduziram, por exemplo, controle termodinâmico do potencial de nitrogênio,e desenvolvimento de novas tecnologias como a nitretação iônica ou plasma, já pode-se especificar um processo, de modo a diminuir a camada branca ou eliminá-la totalmente (VENDRAMIM, 2001). Por exemplo, para ferramentas de trabalho a frio,com a aplicação de revestimentos duros posteriormente nitretos de Cr e Al,, a camada nitretada não pode apresentar camada branca. Para outros tipos de aços com elevados teores de ligas, ela pode estar presente ou não, dependendo da aplicação da peça. A especificação da camada de difusão obedece a norma DIN 50190, que define profundidade de camada de difusão (NHT) como a profundidade de camada onde a dureza está 50 HV0,5 acima da dureza do núcleo. 2 - A camada de composto ou camada branca A camada de compostos é formada por dois tipos de nitretos de ferro. São eles: 5

6 ε (Fe2-3N) nitreto com teor de nitrogênio superior a 8,0% em peso e de configuração atômica HC frágil. γ (Fe4N) nitreto com teor de nitrogênio entre 5,9% e 6,5% em peso e de configuração atômica CFC dúctil. Esta camada é a primeira camada superficial existente na superfície do aço nitretado. E, conforme comentado anteriormente, é chamada também de camada branca, devido ao aspecto branco que ela apresenta em um ensaio de microscopia óptica com preparação adequada, polimento e ataque com reagente químico (geralmente Nital), pois não reage. Nos aços ao carbono com poucos elementos de liga, a camada branca é a responsável direta pela dureza superficial obtida, sendo que a dureza fica limitada à espessura desta camada. Estudos têm demonstrado que quanto maior a espessura da camada branca nos aços ABNT 8550 e 8620, maior a resistência à corrosão em névoa salina (MEDEIROS, 2000). Algumas modificações no processamento tem sido realizadas com o objetivo de obter-se melhores propriedades mecânicas para a camada branca (NOWACKI,2000). Uma mistura de gás fosforoso com amônia parcialmente dissociada, por exemplo, gera uma camada branca composta de nitretos Fe4N e Fe2-3N e precipitados de Fe3P e Fe2P. Obtêm-se, com esta camada polifásica, melhores propriedades tribológicas e melhores durezas superficiais. Um dos processos mais recentes de nitretação são aqueles relacionados com a nitretação por plasma ou iônica, no qual se faz uso de uma descarga incandescente para a introdução de nitrogênio nascente na superfície do aço. A alta voltagem empregada ( V) é utilizada para a formação do plasma no vácuo, pelo fato de excitar o gás e ionizá-lo, resultando no brilho ou incandescência característica. Através deste plasma, íons de nitrogênio são acelerados e bombardeiam a superfície do aço, provocando a absorção do nitrogênio e a sua difusão em direção ao núcleo. Nesta técnica, as peças são colocadas no interior de uma câmara comum e utiliza-se elementos de aquecimento (resistências) que elevam a carga às temperaturas de 375ºC a 650ºC antes da descarga incandescente. A pressão, durante o aquecimento, é elevada evitando-se assim que o feixe incandescente não fique muito espesso de modo a causar superaquecimento. Logo após fixa-se uma determinada velocidade de fluxo, conforme a área superficial da carga. A pressão é regulada na faixa de 1 a 10 torr. O gás de processamento é geralmente uma mistura de nitrogênio, hidrogênio e, as vezes, pequenas quantidades de metano. A colocação das peças é feita de modo que fiquem isoladas eletricamente das paredes da câmara, sendo que essas paredes constituem o ânodo enquanto as peças constituem o cátodo. As técnicas assistidas por plasma oferecem as vantagens de obter resultados semelhantes às técnicas convencionais, porém com processos mais rápidos, não poluentes e que envolvem o uso de temperaturas menores. As vantagens associadas com a tecnologia de tratamento térmico a plasma incluem: Não produção de dejetos ou gases tóxicos; Não há risco de explosão; Não há poluição significativa por barulho, sujeira ou calor (geração de calor); Reduzido tempo de processamento; Reduzido consume de energia; Reduzido consumo do gás de tratamento (O BRIEN, 1991; BELL et al, 2000). Além disso, é possível um maior controle sobre a microestrutura final da peça tratada através do ajuste dos parâmetros de plasma, como por exemplo, a composição da atmosfera gasosa, a pressão, tensão e corrente elétricas (FONTANA, 1991; CABO, 2007). 6

7 A técnica de nitretação por plasma pode ser aplicada a vários tipos de materiais, dentre os quais podemos destacar: aços carbono, aços ligados, aços ferramentas, aços inoxidáveis, ferros fundidos e materiais sinterizados (IRALA, 2007). Na utilização de aços ferramentas, o desgaste é um dos fatores mais importantes que conduz ao fim da vida de ferramentas. Portanto, a vida de uma ferramenta e sua integridade depende principalmente das propriedades mecânicas de sua superfície, e a nitretação é um dos processos utilizados para otimizar a vida de ferramentas (OLIVEIRA, 2003). Na nitretação por plasma, é possível programar os parâmetros de nitretação que controlam a microestrutura na superfície, de modo a formar ou não a camada branca. Sendo assim, por meio do conhecimento das técnicas de nitretação por plasma e dos componentes do aço em estudo é possível avaliar quais os parâmetros interferem na formação das diferentes camadas no material analisado. Tal possibilidade permite o desenvolvimento de novas estruturas, com características e propriedades singulares. Texto limitado em até 05 páginas 3. CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO ETAPA OU FASE DO PROJETO Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses Término Semanas e meses Levantamento bibliográfico Realizar nitretação por plasma Realizar a caracterização microestrutural e dureza Consolidação dos resultados 1ª. Etapa: conhecer a técnica de nitretação convencional, nitretação por plasma e aços. 2ª. Etapa: realizar nitretação de aços comerciais aplicados a moldes. 3ª. Etapa: realizar caracterização Levantamento bibliográfico, reunião com especialistas da área na Católica de Santa Catarina - Joinville e UFSC. Nitretação das amostras na UDESC. Caracterização dos materiais no CTA/ITA microestrutural e dureza e UFSC. 4ª. Etapa: consolidação dos resultados com o grupo. Reuniões com o grupo de pesquisa UFSC e Católica de Santa Catarina - Joinville 1º. mês 3º. mês 3º. mês 11º. mês 3º. mês 12º. mês 6º. mês 12º mês 4. REFERÊNCIAS 7

8 ( Descrever as utilizadas na elaboração do projeto.todas as referências deverão estar citadas no corpo do projeto, conforme normas ABNT) - ALVES JUNIOR, C. Nitretação a Plasma: fundamentos e aplicações. Natal: UFRN, CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos, 7ª. ed., São Paulo: ABM, p RAUTER, R. O. Aços Ferramenta: Seleção, Tratamentos Térmicos e Pesquisa de Defeitos, 1ª ed., Rio de Janeiro: LTC, PINEDO, C. E. Fundamentos da Nitretração sob Plasma para o Tratamento Superficial de Aços e Ligas Especiais. II Conferência Brasileira sobre temas de Tratamento Térmico. Atibaia, São Paulo, Brasil, BALLES, A. C. Nitretação a Plasma como meio alternativo ou complementar à oxidação negra na proteção a corrosão do aço de baixo teor de carbono Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Curitiba. - IRALA, D. R. Carbonitretação do Aço Ferramenta AISI D2 em Plasma Ar/N 2 e vapor de Carbono Dissertação (Mestrado) - Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville. - VENDRAMIM, J. C. Seleção de Aços para Nitretação. Disponível em: < Acesso em: 02 maio MEDEIROS, J. B.; REGULY,A.; FERREIRA, J.Z.; STROHAECKER,T.R.; Resistência a Corrosão dos Aços ABNT 8620: ABNT 8550 Nitretados, In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 55., 2000, Rio de Janeiro. p Anais. Rio de Janeiro: ABM, NOWACKI, J.; Modification of composite nitride layers by phosphorus compounds. Surface Coatings e Technology. v. 125, 2000, p BELL, T. Gaseous and Plasma Nitrocarburizing of Steels. ASM Metals Handbook: Heat Treating, v. 4, p. 432, O BRIEN J. M.; GOODMAN D. Plasma (Ion) Nitriding of Stells. ASM Metals Handbook: Heat Treating, v. 4, p , FONTANA, L. C. Nitretação Iônica em Aços Baixo Carbono Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. - CABO, A. Tratamientos Termoquimicos Assistidos por Plasma. Buenos Aires: CNEA. 141 p. Apostila para Décimo curso latinoamericano de Processamiento de Materiales por Plasma - Clases Introductorias. - OLIVEIRA, S. D., SILVA, G. R. e PINEDO, C. E. Modificação Superficial de Aços Ferramenta por Nitretação sob Plasma Pulsado. 1 o Encontro de Integrantes da Cadeia Produtiva de Ferramentas, Moldes e Matrizes, 2003, pp